如魅影一般难以琢磨！天使粒子 是梦幻还是现实

　　意大利物理学家埃托雷·马约拉纳

　　马约拉纳费米子一直有个“最佳嫌疑人”，就是中微子，不过，证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验，人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此，一些科学家将目光从粒子物理转向凝聚态物理。

　　凝聚态物理学研究的是大量粒子组成的凝聚态结构，一般无法直接观测到单个粒子。不过，固体材料（比如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子，在合适的磁场、压力、温度等外部条件下，会产生特定的集体活动趋势，可以看作是一个“准粒子”。

　　“准粒子”实际上是一种复杂系统的一种物理现象，它虽然不是“真”的粒子，但是其行为就像是一个粒子。

　　若马约拉纳费米子被证实 可助力拓扑量子计算机发展

　　若马约拉纳费米子的猜想被证实，其在拓扑量子计算机的构建方面，将发挥巨大作用。根据笔者查询的资料，武汉大学的学者于2017年在《中国经济报告》发表一篇题为“正反同体的‘天使粒子’”文章，就较为详细地指出马约拉纳费米子在量子计算中的作用。

　　量子计算的实现面临一个非常大的挑战：一个量子比特的信息非常难以储存，微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。量子比特难以储存的原因来自量子纠缠特性，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。以电子的“自旋”为例，两个相互纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态。

　　量子纠缠

　　如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不只是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。

　　马约拉纳费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，这就提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够被拆成两半，存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子，进而毁灭所存储的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特储存方式变为稳固。

　　以马约拉纳费米子所构建的量子比特来进行信息的计算和存储，其信息量可以存储在两个分离的、独立的马约拉纳费米子中。要破坏它们所存储的信息必须同时对这两个粒子进行同样的干扰。这样的一个特性可以使拓扑量子计算和存储过程减少外界的干扰，存储更加稳定，计算也具有容错的特性。

　　发现天使粒子“脚印” 没见其“真身”

　　多年来，物理学家为找到“马约拉纳费米子”展开了艰辛的探索。张首晟选择以凝聚态物理为突破口，在2010年至2015年间发表三篇论文，给出了实现马约拉纳费米子的体系及用以验证的实验方案。

　　而后，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、美国加利福尼亚大学戴维斯分校、美国加利福尼亚大学欧文分校和上海科技大学等实验团队，依照张首晟的理论预测并设计实验，宣布发现了“手性马约拉那费米子模”，并于2017年将研究论文发表在《科学》期刊上。张首晟将这一新发现的“手性马约拉纳费米子模”命名为“天使粒子 ”。

　　王康隆、张首晟等科学家团队于2017年将研究成果发表在《科学》期刊上 截图自《科学》期刊

　　不过，文章的第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊表示：“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念，是一种有质量的基本粒子。很多人认为中微子就是马约拉纳费米子，这里要说明，现在所有的发现都不是真正看到了马约拉纳费米子，而是发现了‘符合马约拉纳费米子性质的激发态’”。

　　在磁性拓扑绝缘体上面再叠加一个超导体，就会组成拓扑超导体，由此将找到“天使粒子”，但将磁性的拓扑绝缘体与超导体叠加并不简单 图自王康隆、张首晟等科学家团队的期刊文章

　　“天使粒子”被发现后，各大媒体争相报道，甚至有误传说它就是“准粒子”。而《科学中国人》就指出，“就连科研团队本身，都未曾声称找到“马约拉纳费米子”，而是将之称之为“马约拉纳费米子模”，一字之差，大有文章”。简单点说就是，发现了“脚印”，并没有看见“真身”。

　　在《科学》期刊上的这篇文章，其表述的是该团队在实验中观测到“一维手性马约拉纳费米子模”。实际上，研究团队在实验中看到的是一个霍尔效应的“半整数平台”，这是存在马约拉纳型准粒子的一个重要理论预言。对此，麻神理工学院教授文小刚曾表示“这次实验直接测到的是半整数量子化电导，它间接意味着手性马约拉纳费米子存在的可能性”。

　　“天使粒子”的实验观测现象 可能因“短路”导致

　　2020年1月3日，美国宾夕法尼亚州立大学常翠祖等科学家在《科学》期刊上发表文章，显示在相似实验平台中观测到的结果并不相同，他们只观测到一种类似“短路”的现象。

　　常翠祖研究团队在《科学》期刊上最新发表的论文 截图自《科学》期刊

　　常翠祖领导的宾夕法尼亚州立大学和德国维尔茨堡大学的物理学家团队，尝试重复美国加利福尼亚大学洛杉矶分校团队的实验结果，却发现“在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致”。